梁　艷，吉庭松，孫亞奇，鮑真?zhèn)?，李松良，闞加榮

(鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城　224051)

基于無線通信的家用PM2.5檢測器

梁艷，吉庭松，孫亞奇，鮑真?zhèn)?，李松良，闞加榮

(鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城224051)

針對目前PM2.5檢測器檢測過于復雜、成本高、精度難以保證的缺點，提出一種基于無線通信模塊的戶用PM2.5檢測器。該檢測器由室內機與室外機2部分構成，通過RF1100SE模塊實現室內外的通信。室內機與室外機均采用成本極低的STC單片機作為主控芯片，工作時室外機通過光敏粉塵傳感器實現對戶外PM2.5的檢測，并將檢測數據由無線模塊發(fā)送到室內的接收模塊，經單片機處理后由LED液晶顯示屏顯示實時數據和24小時的數據變化曲線，保證人們在室內能夠準確獲知室外的PM2.5數值，從而為人們對戶外空氣質量作短時預測，進而為指導人們的出行提供了方便。

PM2.5檢測器；無線通信；室內機；室外機

PM2.5又稱細顆粒物，是指環(huán)境空氣中空氣動力學當量直徑小于等于2.5μm的顆粒物。它能較長時間懸浮于空氣中，其在空氣中含量(濃度)越高，說明空氣污染越嚴重，對人體健康和大氣環(huán)境質量的影響也就越大，因為直徑小于等于2.5μm的顆粒物可直接進入人的肺部，對人體生理機能造成永久傷害。2012年聯合國環(huán)境規(guī)劃署公布的《全球環(huán)境展望5：我們未來想要的環(huán)境》[1]指出，每年有近200萬的過早死亡病例與顆粒物污染有關。因此，PM2.5粉塵顆粒的即時檢測和趨勢預測，是有效防治PM2.5污染的前提和重要保障。

目前，PM2.5檢測方法基本可以分為3種[2]：重量法、β射線吸收法和微量振蕩天平法。其中重量法要求人工操作，自動化程度低、不能得到空氣質量的實時情況；β射線吸收法相對成本較高；而微量振蕩天平法不能分離直徑超過2.5μm的顆粒物，造成檢測精度降低。

家用PM2.5檢測器要求成本低，檢測精度相對較高，可以簡單方便的使用[3]，而以上方法都不適用于家用PM2.5檢測器的要求，因此尋找適合于家庭使用的簡單、精確的PM2.5檢測器，用來指導人們的出行，已成為社會發(fā)展的需要。

經過大量研究，本文提出一種基于無線通信的家用PM2.5檢測器。該檢測器分為室內機與室外機2部分，采用RF1100SE[4]無線通信模塊作為室內機與室外機的通信載體。室內機與室外機均采用成本極低的STC單片機[5]作為主控芯片，室外機采用夏普公司生產的專門檢測直徑小于2.5μm煙塵的傳感器GP2Y1010AU0F進行PM2.5的檢測[6]。PM2.5經檢測并經單片機處理后由LED液晶顯示屏顯示實時數據和24h的數據變化曲線，為人們出行采取相關防霧霾措施提供了方便。

1　PM2.5檢測器整體方案

基于無線通信模塊的家用PM2.5檢測器元件間信號傳遞如圖1所示，室內機與室外機使用的各種器件型號見表1。該檢測器工作原理如下：

圖1為檢測器室外機與室內機元件之間的信號傳遞示意圖。室外機每隔固定時間啟動PM2.5檢測模塊1次，檢測模塊輸出與空氣質量對應的模擬型號，室外機中的單片機將該模擬信號轉換為數字信號，單片機與無線通信模塊1進行SPI通信，無線通信模塊1將接收到的信號進行射頻信號發(fā)送；室內機中，無線通信模塊2射頻接收芯片接收來自室外機的射頻信號，經SPI通信由單片機2接收。與單片機2相關的外設有：液晶屏(顯示PM2.5檢測的數據，包括實時數據與24h數據變化曲線)、時鐘模塊(保證顯示精確的時間)、E2PROM(斷電后儲存重要數據)、按鍵(用來切換液晶顯示器界面和進行時鐘顯示設置)。

圖1　檢測器室外機與室內機元件信號傳遞示意圖Fig.1　Sketch for information transmission of indoor part and outdoor part

表1　檢測器所用器件型號

2　粉塵光敏傳感器工作原理

檢測器采用SHARP公司生產的GP2Y1010AU0F型傳感器，該傳感器內部結構如圖2所示。GP2Y1010AU0F傳感器一共有6個端子，第1、2端子為光敏二極管電路的電源端與地電位端；第6、4端子為信號輸出電路的電源端與地電位端；第3端子為光敏二極管工作控制端。當第3端子為高電平時，光敏二極管不工作；當第3端子為低電平時，光敏二極管開始工作，檢測通氣孔中的微塵，信號電路接收來自微塵的反射光線信號，經放大電路放大，由第5端子輸出與微塵濃度相當的模擬信號。

圖2　粉塵光敏傳感器結構示意圖Fig.2　The structure sketch of the dust light- sensor

傳感器的第3端信號即光敏二極管工作控制信號ULED與第5端傳感器輸出信號UO之間的相位關系如圖3所示。GP2Y1010AU0F傳感器的輸入信號與輸出信號都為脈沖信號，典型的脈沖周期為10ms。根據光敏粉塵傳感器的要求，光敏二極管信號放大電路必須在0.28ms后輸出信號才進入穩(wěn)定狀態(tài)，因此信號ULED低電平的時間必須大于0.28ms，本系統(tǒng)選取0.32ms，即在ULED信號由高電平變?yōu)榈碗娖?.28ms后，開始進行A/D轉換，得到的數據量與微塵濃度相當。

圖3　粉塵光敏傳感器輸入、輸出信號關系圖Fig.3　The input and output signal waveforms of the sensor

3　無線通信模塊工作原理

無線通信模塊RF1100SE使用TI-Chipcon公司的CC1101芯片開發(fā)而成。RF1100SE單片無線收發(fā)器工作在433/868/915MHz的ISM(IndustrialScientificMedical)頻段，由1個完全集成的頻率調制器、1個帶解調器的接收器、1個功率放大器、1個晶體振蕩器和1個調節(jié)器組成。其工作特點是自動產生前導碼 和CRC(CyclicalRedundancyCheck)，可以很容易通過SPI(SerialPeripheralInterface)接口進行編程配置，電流消耗低。

RF1100SE模塊共有10個引腳，其引腳的功能說明如表2所示。

表2　RF1100SE引腳說明

4　軟件設計與實驗結果

檢測器室外機與室內機的程序流程如圖4所示。室外機的主要任務是單片機A/D端口將來自檢測傳感器的模擬信號，轉換成數字信號后經SPI通信傳遞至無線模塊1中的數字芯片，經射頻芯片進行無線傳送(根據PM2.5檢測傳感器的特性，單片機的普通I/O接口每隔2s啟動1次檢測)。室內機的主要功能包括由無線通信模塊2接收無線通信模塊1每隔2s發(fā)送1次的數據，經SPI通信傳送給單片機，單片機將數據解碼后通過LED液晶屏顯示該數據，即實時的PM2.5值。為了顯示過去24hPM2.5的變化曲線，在單片機上設一個24個數據的數組，依次存儲過去

a　室外機

b　室內機圖4　室內機與室外機程序流程圖Fig.4　Program flow chart for indoor part and outdoor part

24h整點時刻的PM2.5數值。在時鐘整點時刻，將數組中24h前的數據舍棄，后面23個數據依次后移一位，即23h前的數據放置到數組的第24個儲存空間，1h前的數據放置到數組的第2個儲存空間，并將最新數據加入該數組的第1個儲存空間，這24個數據在液晶屏上形成了過去24h的PM2.5變化曲線，為人們對短時間內空氣質量的預測提供了方便。

表3所示為液晶屏顯示2015年6月1 日鹽城工學院新校區(qū)8點至16點共計8小時的PM2.5數據，根據氣象臺的當日數據，可以看出本文設計的PM2.5檢測器數據基本符合網報數據變化趨勢，其精度也較高。

圖5給出了PM2.5檢測器的樣機照片。從圖5和表3可以看出，PM2.5的檢測數據較為準確，采用較低的成本實現較高的檢測精度。

表3　PM2.5監(jiān)測數據

5　結論

本文提出了一種基于無線通信的戶用PM2.5檢測器。檢測器采用室外機檢測、室內機顯示的方案保證了室外PM2.5檢測的準確性。PM2.5檢測傳感器采用粉塵光敏傳感器，極大地降低了傳統(tǒng)檢測方法的復雜性與高成本；無線發(fā)送、接收

模塊采用簡單的SPI通信即可實現與單片機之間的信息互通，控制方案簡單。樣機結果表明，本文所提方案簡單、可靠，所選元件成本低，精度高，具有較大的應用價值。

圖5　基于無線通信模塊的PM2.5檢測器Fig.5　PM 2.5 detector based on wireless communication module

[1] 聯合國環(huán)境規(guī)劃署.全球環(huán)境展望5：我們未來想要的環(huán)境[R].內羅畢，2012.

[2] 毛朔南，馬宇明，蔡冶強，等.PM2.5檢測標準及量值溯源方法現狀及進展[J].江蘇現代計量，2013，11(5)：32-35.

[3] 朱祝何.家用PM2.5檢測儀“僅供參考”[J].質量探索，2014(6)：35-36.

[4] 張霄，宋文妙.一種配電變壓器及配電箱無線監(jiān)測系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)通信，2011，32(11)：41-43.

[5] 張坤，周鳳星，柯曉娟.基于STC單片機的半導體材料特性測量儀的設計[J].科學技術與工程，2014，14(6)：31-35.

[6] 蘭冰芯，諶海云，陳東，等.基于單片機的PM2.5測試儀的設計與實現[J].物聯網技術，2014，5(11)：32-34.

(責任編輯：李華云)

PM2.5HouseholdDetectorBasedonWirelessCommunicationModule

LIANGYan,JITingsong,SUNYaqi,BAOZhenwei,LISongliang,KANJiarong

(SchoolofElectricalEngineering,YanchengInstituteofTechnology,YanchengJiangsu224051,China)

ThispaperpresentsaPM2.5detectorbasedonwirelesscommunicationtoovercometheshortcomingsintheconventionalPM2.5detector,suchascomplicatedcontrolprocess,highcostandlowdetectionprecision.Theproposeddetectorincludestheindoorpartandtheoutdoorpart,andthecommunicationisrealizedbytheRF1100SEmodule.ThelowcostSTCsinglechipisusedinbothindoorandoutdoorpartsascorechip.ThedetectionofoutdoorPM2.5isrealizedbythephotosensitivedustsensorinwork.Andthedetectiondataistransmittedfromthewirelessmoduletothereceivingmoduleinthelaboratory.TheLEDLCDcanrealizereal-timedatadisplayanddatachangescurveinthepast24hoursafterthesinglechipmicrocomputerisprocessed,toensurethatpeopleintheinteriorcanaccuratelyknowtheoutdoorPM2.5value,soastomakeshort-termforecastfortheoutdoorairquality.Itisconvenientforpeople'soutdooractivities.

PM2.5detector;wirelesscommunication;indoorpart;outdoorpart

10.16018/j.cnki.cn32-1650/n.201503007

2015-04-06

江蘇省大學生實踐創(chuàng)新訓練重點項目

梁艷(1974-)，女，江蘇鹽城人，講師，碩士，主要研究方向為電力電子技術。

TP273.5

A

1671-5322(2015)03-0029-04